DE102017214975A1 - Powertrain for fuel cell vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Brennstoffzellenfahrzeug sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug (1) mit einem solchen. Der Antriebsstrang umfasst einen Elektromotor (31) zum Antrieb des Fahrzeugs (1); ein Brennstoffzellensystem (10) zur Erzeugung elektrischer Energie zum Betreiben des Elektromotors (31), das zumindest eine Brennstoffzelle (11) aufweist und das eingerichtet ist, wahlweise mit einem ersten Brennstoff oder mit einem zweiten Brennstoff betrieben zu werden; sowie ein Tanksystem (20), das einen ersten Tankanschluss (23) zur Betankung mit dem ersten Brennstoff und einen zweiten Tankanschluss (24) zur Betankung mit dem zweiten Brennstoff aufweist. The invention relates to a drive train for a fuel cell vehicle and a fuel cell vehicle (1) with such. The drive train comprises an electric motor (31) for driving the vehicle (1); a fuel cell system (10) for generating electrical energy for operating the electric motor (31) having at least one fuel cell (11) and being adapted to be selectively operated with a first fuel or a second fuel; and a tank system (20) having a first tank port (23) for refueling with the first fuel and a second tank port (24) for refueling with the second fuel.
Description
Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem zumindest eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellensystem sowie mit einem Tanksystem mit zumindest einem Tank. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Brennstoffzellenfahrzeug.The invention relates to a drive train for a fuel cell vehicle having a fuel cell system having at least one fuel cell and to a tank system having at least one tank. The invention further relates to a corresponding fuel cell vehicle.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Sie weisen eine Anode und eine Kathode auf, die durch eine Polymerelektrolytmembran oder einen Elektrolyten gasdicht voneinander getrennt und elektrisch isoliert sind. Im Betrieb wird der Anode ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und der Kathode ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft, zugeführt. An der Anode findet eine elektrochemische Oxidation des Brennstoffs, beispielsweise zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen statt. Die Elektronen werden durch einen äußeren Stromkreis abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor, zur Kathode. An der Kathode erfolgt die Reduktion des Sauerstoffs zu O2-. Ein bei den Brennstoffzellreaktionen erzeugtes mobiles Ion, beispielsweise H+, H3O+ oder O2-, diffundiert über den Elektrolyten in den benachbarten Elektrodenraum. Im Falle von mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen stellen Protonen die mobilen Ionen dar, die zur Kathode diffundieren und dort mit den Sauerstoffanionen zu Wasser reagieren. Es sind verschiedene Typen von Brennstoffzellen bekannt, die unterschiedliche Brennstoffe nutzen und sich in ihrem Aufbau unterscheiden. So nutzen beispielsweise Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) Wasserstoff, Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) Methanol und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) wahlweise Wasserstoff, Methanol, Kohlenmonoxid oder Synthesegas. Bei letzteren wird der in der Brennstoffzelle umgesetzte Brennstoff in der Regel durch einen vorgeschalteten Reformer aus Kohlenwasserstoffen, beispielsweise CNG (compressed natural gas) erzeugt.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. They have an anode and a cathode which are gas-tightly separated from one another and electrically insulated by a polymer electrolyte membrane or an electrolyte. In operation, the anode is supplied with a fuel, for example hydrogen, and the cathode with an oxygen-containing gas, for example air. At the anode, an electrochemical oxidation of the fuel takes place, for example, to protons H + with the emission of electrons. The electrons are discharged through an external circuit and flow via an electrical load, such as an electric motor, to the cathode. At the cathode, the reduction of oxygen to O 2- takes place . A mobile ion generated in the fuel cell reactions, for example H + , H 3 O + or O 2- , diffuses via the electrolyte into the adjacent electrode space. In the case of hydrogen fuel cells, protons are the mobile ions that diffuse to the cathode where they react with the oxygen anions to form water. There are various types of fuel cells known that use different fuels and differ in their structure. For example, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) and phosphoric acid fuel cells (PAFC) use hydrogen, direct methanol fuel cells (DMFC) methanol, and solid oxide fuel cells (SOFC) optionally hydrogen, methanol, carbon monoxide or synthesis gas. In the latter case, the fuel converted in the fuel cell is generally produced by an upstream reformer of hydrocarbons, for example CNG (compressed natural gas).
Für automobile Anwendungen wird derzeit vor allem der Einsatz von PEMFC unter Verwendung von reinem Wasserstoff als Primärenergieträger angestrebt. Ein Problem stellt jedoch die zum Teil noch unzureichend ausgebaute Infrastruktur für die Wasserstoffversorgung dar.For automotive applications, the use of PEMFC using pure hydrogen as a primary energy source is currently being pursued. One problem, however, is the inadequately developed hydrogen supply infrastructure.
Zur Lösung sind Hybridstrategien für Brennstoffzellenfahrzeuge bekannt, welche die Brennstoffzelle mit extern zugeführter elektrischer Energie vorsehen. Die Konzepte reichen von Brennstoffzellenvollantrieben bis zu Batteriefahrzeugen, welche mit leistungsbezogen klein dimensionierten Brennstoffzellensystemen zur Erweiterung der Reichweite (range extender) ausgestattet sind. Zusätzlich ist die Möglichkeit eines Plug-in-Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellenantriebsstrang mit elektrischem Ladeanschluss bekannt. Jedoch sind auch die elektrischen Ladenetze teilweise noch nicht flächendeckend ausgebaut.To solve hybrid strategies for fuel cell vehicles are known, which provide the fuel cell with externally supplied electrical energy. The concepts range from fuel cell full drives to battery-powered vehicles, which are equipped with performance-related small-sized fuel cell systems for extending the range (range extender). In addition, the possibility of a plug-in vehicle with a fuel cell power train with electrical charging connection is known. However, the electrical charging networks are partially not yet developed nationwide.
Weiterhin gibt es Ansätze, die Probleme der Wasserstoff- und Ladenetzversorgung durch Einsatz einer SOFC und beispielsweise CNG als Primärenergieträger zu umgehen.Furthermore, there are approaches to circumvent the problems of hydrogen and charging network supply by using a SOFC and, for example, CNG as a primary energy source.
Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang für ein Brennstoffzellenfahrzeug vorzuschlagen, der die geschilderten Probleme des Standes der Technik löst oder wenigstens vermindert. Insbesondere soll der Antriebsstrang weniger abhängig von der Versorgungsinfrastruktur der Primärenergieträger sein.The invention has for its object to propose a drive train for a fuel cell vehicle, which solves the problems of the prior art described or at least reduced. In particular, the powertrain should be less dependent on the supply infrastructure of the primary energy sources.
Diese Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.This object is achieved by a drive train and a fuel cell vehicle with the features of the independent claims. Preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining features mentioned in the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang umfasst einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs; ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie zum Betreiben des Elektromotors, das zumindest eine Brennstoffzelle aufweist und das eingerichtet ist, wahlweise mit einem ersten Brennstoff oder mit einem zweiten Brennstoff betrieben zu werden; sowie ein Tanksystem, das einen ersten Tankanschluss zur Betankung mit dem ersten Brennstoff und einen zweiten Tankanschluss zur Betankung mit dem zweiten Brennstoff aufweist.The drive train according to the invention comprises an electric motor for driving the vehicle; a fuel cell system for generating electrical energy for operating the electric motor having at least one fuel cell and configured to be selectively operated with a first fuel or a second fuel; and a tank system having a first tank port for refueling with the first fuel and a second tank port for refueling with the second fuel.
Erfindungsgemäß wird somit ein Antriebsstrang für ein Brennstoffzellenfahrzeug zur Verfügung gestellt, der mit zumindest zwei unterschiedlichen Brennstoffen betreibbar ist. Beispielsweise kommen als Brennstoffe Wasserstoff H2 und CNG (compressed natural gas) infrage. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang weist damit eine verbesserte Flexibilität hinsichtlich des zu betankenden Brennstoffs und damit auch hinsichtlich der in Anspruch zu nehmenden Tankstelle auf. Somit wird das entsprechende Brennstoffzellenfahrzeug auch in Regionen attraktiv, in denen beispielsweise das Wasserstoffversorgungsnetz schlecht ausgebaut ist.The invention thus provides a drive train for a fuel cell vehicle which can be operated with at least two different fuels. For example, as fuels hydrogen H 2 and CNG (compressed natural gas) in question. Of the Drive train according to the invention thus has an improved flexibility with regard to the fuel to be refueled and thus also with regard to the filling station to be claimed. Thus, the corresponding fuel cell vehicle also becomes attractive in regions in which, for example, the hydrogen supply network is poorly developed.
In Ausgestaltungen der Erfindung weist das Tanksystem einen Tank zur wahlweisen Aufnahme des ersten und des zweiten Brennstoffs auf. Dabei sind der erste und der zweite Tankanschluss diesem Tank zugeordnet. In dieser Ausgestaltung verfügt somit ein- und derselbe Tank über zwei Tankanschlüsse, die die Betankung mit jeweils einem der beiden Brennstoffe erlauben. Von Vorteil ist hier der geringere Bauraumbedarf gegenüber einem System mit mehreren Tanks.In embodiments of the invention, the tank system has a tank for selectively receiving the first and second fuels. The first and the second tank connection are assigned to this tank. In this embodiment, therefore, one and the same tank has two tank connections, which allow the refueling with one of the two fuels. The advantage here is the smaller space requirement compared to a system with multiple tanks.
In einer alternativen Ausgestaltung weist das Tanksystem des Antriebsstrangs einen ersten Tank zur Aufnahme des ersten Brennstoffs auf und einen zweiten Tank zur Aufnahme des zweiten Brennstoffs. Hier ist der erste Tankanschluss dem ersten Tank zugeordnet und der zweite Tankanschluss dem zweiten Tank. Durch die Ausstattung mit zwei für unterschiedliche Brennstoffe ausgelegte Tanks wird ermöglicht, bei Verfügbarkeit beider Brennstoffe beide Tanks zu betanken, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs erhöht wird beziehungsweise der schlechter verfügbare oder teurere Brennstoff als Reserve mitgeführt werden kann.In an alternative embodiment, the tank system of the drive train has a first tank for receiving the first fuel and a second tank for receiving the second fuel. Here the first tank connection is assigned to the first tank and the second tank connection to the second tank. Equipped with two tanks designed for different fuels makes it possible to fill both tanks with the availability of both fuels, which increases the range of the vehicle or allows the less available or more expensive fuel to be carried as a reserve.
In weiteren Ausführungen der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem eine erste mit dem ersten Brennstoff betreibbare Brennstoffzelle und eine zweite mit einem zweiten Brennstoff betreibbare Brennstoffzelle auf. Beispielsweise kann es sich bei der ersten Brennstoffzelle um eine mit reinem Wasserstoff H2 betreibbare Brennstoffzelle handeln, insbesondere um eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) oder Phosphor-Brennstoffzelle (PAFC), und bei der zweiten Brennstoffzelle um eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), die mit Methanol betrieben wird, oder um eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die mit komprimiertem Erdgas (CNG) betrieben wird.In further embodiments of the invention, the fuel cell system has a first fuel cell operable with the first fuel and a second fuel cell operable with a second fuel cell. For example, the first fuel cell may be a fuel cell operable by pure hydrogen H 2 , in particular a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) or phosphorus fuel cell (PAFC), and in the second fuel cell a direct methanol fuel cell (DMFC), which is operated with methanol, or a solid oxide fuel cell (SOFC), which is operated with compressed natural gas (CNG).
In bevorzugter Ausgestaltung weist das Brennstoffzellensystem nur eine einzige Brennstoffzelle auf, die wahlweise mit dem ersten oder mit dem zweiten Brennstoff betrieben werden kann. Hier kommen beispielsweise SOFC-Systeme zum Einsatz, die wahlweise etwa mit reinem Wasserstoff oder mit CNG betrieben werden können.In a preferred embodiment, the fuel cell system has only a single fuel cell, which can be operated either with the first or with the second fuel. Here, for example, SOFC systems are used which can be operated either with pure hydrogen or with CNG.
Im Falle einer Ausführung mit zwei Brennstoffzellen kann ferner vorgesehen sein, dass das Tanksystem einen (einzigen) Tank zur wahlweisen Aufnahme des ersten oder des zweiten Brennstoffs aufweist und der erste und der zweite Tankanschluss diesem Tank zugeordnet sind, wobei der Tank wahlweise mit der ersten oder der zweiten Brennstoffzelle fluidführend verbindbar ist.In the case of a design with two fuel cells may also be provided that the tank system has a (single) tank for selectively receiving the first or the second fuel and the first and the second tank port associated with this tank, the tank with either the first or the second fuel cell is fluid-conducting connectable.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung umfasst der Antriebsstrang ferner eine erste Kommunikationseinrichtung, die dem ersten Tankanschluss zugeordnet ist, und eine zweite Kommunikationseinrichtung, die dem zweiten Tankanschluss zugeordnet ist. Die erste und zweite Kommunikationseinrichtung umfasst jeweils insbesondere einen Sender, der mit einem tankstellenseitigen Empfänger zu kommunizieren vermag, um Informationen des Tanksystems zu übermitteln. Beispielsweise ist der erste Tankanschluss eingerichtet, das Tankvolumen und/oder den Füllstand bezüglich des ersten Brennstoffs zu übermitteln. Dementsprechend kann die zweite Kommunikationseinrichtung eingerichtet sein, Tankvolumen und/oder Füllstand bezüglich des zweiten Brennstoffs zu übermitteln. Sofern die Tankstelle mit einem entsprechenden Kommunikationssystem, insbesondere einem Empfänger, ausgestattet ist, kann hierdurch der Betankungsvorgang gesteuert werden. So kann insbesondere die Geschwindigkeit beziehungsweise das Geschwindigkeitsprofil der Betankung gesteuert werden.In advantageous embodiments of the invention, the drive train further comprises a first communication device associated with the first tank port and a second communication device associated with the second tank port. In each case, the first and second communication device comprises in particular a transmitter which is able to communicate with a receiver on the gas station side in order to transmit information of the tank system. For example, the first tank connection is set up to transmit the tank volume and / or the level with respect to the first fuel. Accordingly, the second communication device may be configured to transmit tank volume and / or level with respect to the second fuel. If the gas station is equipped with a corresponding communication system, in particular a receiver, this can be used to control the refueling process. In particular, the speed or the speed profile of the refueling can be controlled.
In Ausgestaltungen der Erfindung umfasst das Fahrzeug ferner eine Batterie, die eingerichtet ist, elektrische Energie zu speichern und die gespeicherte elektrische Energie an den Elektromotor zu liefern. Dabei kann es sich um eine so genannte Traktionsbatterie handeln, insbesondere um eine Hochvoltbatterie.In embodiments of the invention, the vehicle further includes a battery configured to store electrical energy and to supply the stored electrical energy to the electric motor. This may be a so-called traction battery, in particular a high-voltage battery.
In vorteilhafter Ausführung kann das Fahrzeug ferner eine elektrische Ladeeinrichtung zur Ladung der Batterie mit einem extern zugeführten Ladestrom aufweisen. In einer solchen Plug-in-Ausführung verfügt das BrennstoffzellenFahrzeug somit nicht nur über die Möglichkeit, mit zwei unterschiedlichen Brennstoffen versorgt und betrieben zu werden, sondern kann als zusätzliche Energiequelle extern zugeführte elektrische Energie verwenden. Hierdurch wird die Versorgungsflexibilität des Fahrzeugs noch weiter erhöht.In an advantageous embodiment, the vehicle may further comprise an electric charging device for charging the battery with an externally supplied charging current. In such a plug-in version, the fuel cell vehicle thus not only has the option of being supplied and operated with two different fuels, but can also use externally supplied electrical energy as an additional source of energy. As a result, the supply flexibility of the vehicle is further increased.
Mit Vorteil kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Batterie ausgelegt ist, durch die Brennstoffzelle geladen zu werden. Auf diese Weise erhält die Batterie eine Pufferfunktion zur Speicherung überschüssiger elektrischer Energie der Brennstoffzelle.Advantageously, it can further be provided that the battery is designed to be charged by the fuel cell. In this way, the battery receives a buffer function for storing excess electrical energy of the fuel cell.
In Ausgestaltungen der Erfindungen weist das Tanksystem ferner einen Sensor auf, der eingerichtet ist, den Brennstoff zu identifizieren und/oder einen Füllstand zu messen. Diese, insbesondere bei Ausgestaltungen mit nur einem einzigen Tank vorteilhafte Weiterbildung, erlaubt die Automatische Anpassung der Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit des vorhandenen Brennstoffs.In embodiments of the inventions, the tank system further includes a sensor configured to identify the fuel and / or to measure a level. This, especially in embodiments with only a single tank advantageous development, allows the automatic Adaptation of the operating strategy of the fuel cell system depending on the existing fuel.
Der erste und der zweite Brennstoff sind vorzugsweise aus der Gruppe Wasserstoff, CNG, Erdgas, Methanol und Synthesegas ausgewählt. Hier sind Wasserstoff als erster Brennstoff und CNG als zweiter Brennstoff besonders bevorzugt.The first and second fuels are preferably selected from the group consisting of hydrogen, CNG, natural gas, methanol and synthesis gas. Here, hydrogen as the first fuel and CNG as the second fuel are particularly preferable.
Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellenfahrzeug, das den erfindungsgemäßen Antriebsstrang aufweist.The invention further relates to a fuel cell vehicle having the drive train according to the invention.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung; -
2 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung und -
3 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
-
1 a block diagram of a fuel cell vehicle according to a first embodiment of the invention; -
2 a block diagram of a fuel cell vehicle according to a second embodiment of the invention and -
3 a block diagram of a fuel cell vehicle according to a third embodiment of the invention.
Das Brennstoffzellenfahrzeug
Das Tanksystem
Das Tanksystem
Der Tank
Das in
Das dargestellte Ausführungsbeispiel gemäß
In der Ausgestaltung gemäß
Im Unterschied zu den Ausgestaltungen gemäß den
In einer Abwandlung des in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Brennstoffzellenfahrzeugfuel cell vehicle
- 1010
- BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
- 1111
- (erste) Brennstoffzelle(first) fuel cell
- 1212
- Steuereinrichtungcontrol device
- 1313
- zweite Brennstoffzellesecond fuel cell
- 2020
- Tanksystemtank system
- 2121
- (erster) Tank(first) tank
- 2222
- zweiter Tanksecond tank
- 23 23
- erster Tankanschlussfirst tank connection
- 2424
- zweiter Tankanschlusssecond tank connection
- 2525
- erste Kommunikationseinrichtungfirst communication device
- 2626
- zweite Kommunikationseinrichtungsecond communication device
- 2727
- Brennstoffleitungfuel line
- 2828
- (erster) Sensor(first) sensor
- 2929
- zweiter Sensorsecond sensor
- 3030
- Triebstrangdrive train
- 3131
- Elektromotor, TraktionsmotorElectric motor, traction motor
- 3232
- Antriebsräderdrive wheels
- 3333
- Antriebsachsedrive axle
- 4141
- Batteriebattery
- 4242
- Ladeanschlusscharging port
- 5151
- erste elektrische Leitungfirst electrical line
- 5252
- zweite elektrische Leitungsecond electrical line
- 5353
- dritte elektrische Leitungthird electrical line
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008032105 A1 [0006]DE 102008032105 A1 [0006]
- DE 102004037851 A1 [0007]DE 102004037851 A1 [0007]
Claims (10)
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2017
- 2017-08-28 DE DE102017214975.2A patent/DE102017214975A1/en active Pending
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